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PRUEBAS DE RESISTENCIA DE LAS ROCAS

Por qu ensayar las rocas?

Las rocas son materiales muy duros y se requiere conocer su competencia para poder

hacer uso de esa competencia

1. ROCA

Material compuesto de uno o varios minerales como resultado final de los diferentes

procesos geolgicos. El concepto de roca no se relaciona necesariamente con la forma

compacta o cohesionada; tambin las gravas, arenas, arcillas, o incluso el petrleo, son

rocas. Las rocas estn sometidas a continuos cambios por las acciones de los agentes

geolgicos, segn un ciclo cerrado !el ciclo de las rocas", llamado ciclo litolgico, en el

cual intervienen incluso los seres vivos.

!. CLASI"ICACI#N DE LAS ROCAS


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$. CARACTERISTICAS "%SICO&'EC(NICAS

). E*ALUACI#N IN SITU DE RESISTENCIA DEL 'ATERIAL ROCOSO


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+. *ALORACI#N DE ROCAS

,. CARACTERISTICAS DE LA ROCA INTACTA

Los maci#os rocosos son cuerpos esencialmente anisotrpicos, ya que estn compuestos

habitualmente por diversas especies de minerales que han sufrido procesos tectnicos

creando superficies de discontinuidad; sin embargo para poderlo caracteri#ar

mecnicamente; generalmente se recurre a ensayar muestras normalmente sin

discontinuidad.

Estas pruebas tienen la finalidad de determinar las propiedades f$sicas y mecnicas de la

roca intacta, es decir sin que la roca se encuentre afectada por elementos

geoestructurales !fallas, fracturas" o factores geolgicos que alteren sus propiedades;

por tanto sus valores son mayores que la del maci#o rocoso.

-. ENSAOS IN&SITU

Estos ensayos se reali#an al interior del tnel y consiste en%


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-.1. %n/0ce /e res0senc0a 2anual 3IR'4 es una prueba de campo que se efecta con

la ayuda de una picota de gelogo y un cuchillo de bolsillo.

&on estos implementos se pueden determinar el rango apro'imado de la resistencia a la

comprensin uni a'ial !(&" de la roca la identificacin de campo, descripcin, as$ como

el grado de resistencia

-.!. Prue5as Esclero2r0ca )ara las pruebas de campo debe de utili#arse un

esclermetro o martillo tipo *+ con energ$a de impacto de -./ 0g. Mediante la

siguiente ecuacin; se consigue la correspondencia del rebote !1" obtenida con elmartillo *L para el cual se debe utili#ar el baco de la fig. +2 3.

6 Conoc0/o RN

6 Conoc0/o RL

RL = - 3.4 + (0.83 RN) + 0.0029 (RN)2

RN = 4.5 + (1 + 113 RL) - 0.0025 (R)2


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7. ENSAO DE ROCAS EN EL LABORATORIO

4 Ensayos $ndice de los materiales de roca intacta para su identificacin y clasificacin

4 &aracter$sticas de resistencia y stiffness

4 )otencial de degradacin, durabilidad

4El programa de medicina, de rocas, consiste en determinar las propiedades f$sicas y

mecnicas de la roca intacta, as$ como el estudio petrogrfica de la roca, para poder

evaluar y calificar su condiciones geomecnicas.

7.1. Esu/0o 8ero9r:;0cas.

Estas se reali#an en laboratorios especiali#ados !5+6EMME7" para encontrarcaracter$sticas macroscpicas y microscpicas.

7.!. Pro80e/a/es ;


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E@e28loEn el siguiente cuadro se muestra un e?emplo del resultado de las propiedades

f$sicas obtenidas de una muestra representativa%

7.$. Pro80e/a/es 'ec:n0cas.

Las pruebas para determinar las caracter$sticas mecnicas de la roca, nos ayudan a

comprender el comportamiento de estas, al medir y evaluar los efectos que se originan

a ser sometidas al esfuer#o provocado.

9 &ontinuacin detallamos los ensayos y pruebas que deben utili#arse.

A. %n/0ce /e res0senc0a a la car9a 8unual 3Is4 Este ensayo se e?ecuta mediante de la

modalidad de carga diametral o *ensayo de compresin de @ran0lin este $ndice es una

indicacin ra#onable de la resistencia a la comprensin !(&" y se calcula mediante las

siguientes relaciones%

Aonde%

5s B Cndice de carga de punto.

) B &arga necesaria para romper el espcimen.

A B Aimetro del ncleo !mm".

Luego la resistencia a la comprensin un$ a'ial se calcula por%

& = Peso s!"ur!#o $ Peso seco x 100

Peso seco

mm.

Longitud

mm.

Volume

n

cm.3

P.

natural

Gr.

P.

seco

Gr.

P.

saturado

Gr.

P.E.

()

Kg./m3

Poro

s

%

Absorcin

%

34.80 30.50 39.10 8.5 8.45 8. 2.53 0.2 0.2

*s = P

c 2


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La carga que se requiere para romper un ncleo de roca con este mtodo, es

apro'imadamente la muestra sometida al esfuer#o de compresin un$ a'ial.

A. Ensayo /e co28rens0>n s028le o un< a0al 3C4.

8e define como% la fuer#a por unidad de rea requerida para romper una muestra que

esta sometida a esfuer#o un$ a'iales !no confinado" y viene e'presado en unidades de

fuer#a sobre el rea.

El ensayo se reali#a con probetas cil$ndricas, sometidas las mismas a cargas

comprensivas a'iales cada ve mayor hasta producir la rotura. Las velocidades de carga

aplicada deben de estar dentro del rango recomendable de / a 3-


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>a?a /-4/--/ D /-

&arbn, limonita,

Media /--4 3,-- /- D 3--9renisca, pi#arra,

lutita

9lta3.---4.---

3--4--Mrmol, granito,

neiss

Muy 9lta ,---

-- &uarcita, gabro.

E?emplo% 1esultados de dos pruebas de comprensin un$ a'ial.

Pro9res0aCon/0c0>n

Ensayo

Pro5eas Car9a

Roura

9.

C

F c2. L c2. 9.c2! 'Pa-F/3 8aturado G.3- H.// /,3- 3,IGI.- 3I3.--F/3 8eco G.3J H.// K,--- 3,HIJ./- 3HG.K-

Ae aqu$ se puede determinar el coeficiente de !


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&. Ensayo e racc0>n 34Es definida como la fuer#a por unidad de rea requerida

para romper una muestra sometida a esfuer#os tensinales.

8e debe utili#ar el mtodo de traccin indirecta o mtodo >rasilero. Este ensayo

consiste en someter a una probeta cil$ndrica !disco de roca" a una carga linealcomprensiva actuando a lo largo de su dimetro.

El resultado de este esfuer#o comprensivo, es una tencin hori#ontal y un esfuer#o

comprensivo vertical variable. Las muestras suelen romperse en dos mitades segn el

e?e de carga diametral.

)ara este caso se debe de utili#ar la relacin longitud:dimetro !L:A" B -./.

La resistencia a la traccin !(t" obtenida por este mtodo esta dada por la relacin%

Aonde%

) B &arga de rotura.A B dimetro de la probeta.

L B Longitud de la probeta.

E?emplo% El siguiente cuadro muestra el resultado de una probeta.

Pro9res0a

Pro5eaCar9a /e roura G9.

F c2. L c2. 9.c2! 'Pa-F/3 / .G 3,J 3.3- IJ.-- I.G

A. Ensayo /e co28rens0>n r


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Mediante este ensayo se determina los $ndices volumtricos de resistencia como son% la

cohesin !&" que e'presa la tensin tangencial m'ima cuando la tensin normal es

igual a cero, y el ngulo de friccin !", que relaciona el incremento de las tenciones

normales y tangenciales por la superficie de despla#amiento de la discontinuidad que

obtenga la roca !fig. +2 ". En el siguiente cuadro se muestra un e?emplo%

Pro9res0a

Pres0>n /e

con;0na20eno

9.c2.!Res0senc0a

9.c2.!

F

3H4

C

9.c2.!

-F/3 3-- ,J//.- GK --

E. Ensayos /e consanes el:s0cas 3E

4 8e debe adems efectuar ensayos para

conocer las propiedades elsticas a fin de determinar el modulo de elasticidad !E" y la

relacin de poisson !

" que son las caracter$sticas fundamentales de formacin en

los l$mites de su estabilidad elstica.

El ensayo debe de reali#arse en una probeta cil$ndrica, sometida a unacarga

comprensiva a'ial cada ve# mayor hasta producir su rotura, durante la aplicacin de la

citada carga, se debe de hacer medicines de la deformacin longitudinal !EL" y

deformacin diamental !EA" !ver figura +2 ".

La velocidad de la carga aplicada debe de estar en el rango recomendable de /4

3-0g.:cm.:seg.,utili#ando relacin longitud:dimetro !L:A" de probeta B .

&'>/ulos /e elas0c0/a/ 3E4 Es la relacin entre la posicin un$ a'ial !(l" y la

relacin de la deformacin longitudinal de la muestra !EL".

= ,l

L


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J K/.HG M)a

EL B 9L decremento longitudinal

L Longitud

& Relac0>n /e 8os0c0>n 3

4 Es el conciente de la relacin de las deformaciones

diametral ! EA " y longitudinal ! EL ", ba?o una carga un$ a'ial !(l"

J -.3/

Las frmulas presentadas son para cuerpos Elsticos 5deales que nos son precisamente

las rocas, por consiguiente, se debe utili#ar el Modulo 7angencial al /- de la carga de

rotura, siguiendo de esta manera los criterios de Aeere, para poder normali#ar la

eleccin de los mdulos de deformacin !figura +2 G".

8egn este concepto el autor da a conocer la clasificacin de acuerdo al modulo

relativo, como se muestra a continuacin%

=

L


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E8@NE1OP8 )15+&5)9LE8 E+ EL AEQ5L579M5E+7P

7E+89=P8 AE &P+879+7E8 ELR875&98

9 L

2500

2000

1500

1000

500

C = Cohesin = Angulo defraccin interna. I= 1 = 96 kg./c2II = c= 1!"!kg/c2 #2 = $% III

III

II

c

500 1000 1500 2000 2500 $000I

&'()&*+, -,*A #./c 2%


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9 A

Clase Descr08c0>n 'o/ulo rela0oS

M

L

Modulo 1elativo Elevado

Modulo 1elativo

Medio Modulo 1elativo

/--

-- D /--

--

Aonde%

E B Modulo de Elasticidad B K/.HG M)a.

( & a /- B 1esistencia a la comprensin 8imple al /- B H-.J M)a.

8egn este criterio se tiene que%

B K/.HG B I3 M)a

@armer clasifica los mdulos de deformacin de acuerdo al mdulo 7angencial 5nicial

!Ei", el que se calcula por la e'presin siguiente y cuyos valores estn consignados a

continuacin%

Luego

Ei B /- ' 3IGI.- B JGJ,IK-


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K. E*ALUACI#N DE RESULTADOS.

Los parmetros de las propiedades f$sicas y mecnicas se resumen en el cuadro +V 3 de

los que se pueden concluir%

Los valores de propiedades f$sicas de la roca intacta, valores de porosidad, de absorcin

$ndice de permeabilidad y la densidad, de las discontinuidades e'istente en el maci#o.

Los $ndices de las propiedades mecnicas, como la resistencia, comportamientos

elsticos, ablandamiento, etc.

8in embargo hay que tener en cuenta la composicin mineralgica de los maci#os y su

condicin a largo pla#o.

En el cuadro +V 3 es e?emplo de un grano diorita%

&uadro +V 3

Prue5as Resula/o Un0/a/ O5serac0>

Pro80e/a/e

s ;a?a

>a?a

P

R

O

P

I

E

D

A

D

E

S

'

E

1esistencia a traccin

(tI.G M)a

1esistencia a comprensin

!(c"3I3.- M)a

1esistenciaCndice de carga puntual

5sI.H M)a

&ohesin

!c"- M)a

Rngulo de friccin interna

GK 6rados

&onstantesModulo de

elasticidadK/,HG M)a

El:s0cas&oeficiente

de )oisson3-.3/

(c : 5s !/-" -.

9blandamiento !0a" -.H Abil


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C

A

Modulo 1elativo !Et" I3 Elevada

Mdulo 7angencial !Ei"J.GK ' 3- ieniaXs0i !Cndice 1M1".

Estos sistemas semi cuantitativos, son las tcnicas emp$ricas me?or conocidas para

evaluar la estabilidad de las obras subterrneas y los elementos de sostenimiento

necesarios.

La clasificacin geomecnica se utili#a para la identificacin y comparacin de los

maci#os rocosos atravesados durante la e'cavacin, procediendo a la obtencin de su

correspondiente $ndice de calidad. Este $ndice se obtiene a travs de la observacin de

una serie de parmetros y dndole sus correspondientes observacin. En definitiva se

trata de cuantificar la calidad de los maci#os rocosos atravesados, de forma que pueden

ser comparados, #onas ubicadas en distintos puntos del tnel. Los datos deben de

obtenerse en el mismo frente de e'cavacin, siendo por tanto representativos del estado

del maci#o rocoso en el punto donde se sita la e'cavacin.

MRA"ICO ES"UERO DE"OR'ACION


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DE"OR'ACI#N UNITARIA 322224

E B Modul de Elasticidad.

B 1elacin de )oison.

EA B Aeformacin Aiametral.

EL B deformacin Longitudinal.

1.1. Clas0;0cac0>n /e Baron %n/0ce Q

16000

1200

!00

"00

& &

c = 1!"!

kg/c2& = 45.29"kg/c2 = 0.15

1 = 50 de c

500 1000 1500 2000

2500


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7 =*7 8 r 8 :

n a '*(

>arton establece su calificacin a partir de un $ndice *T, que se obtienen de J

parmetros procedentes de la observacin del maci#o rocoso, para lo que establece sus

correspondientes valuaciones !tabla +V J". Este $ndice *T viene e'presado por la

siguiente e'presin%

Aonde%

1TA B )orcenta?e de ncleos que se recuperan en tamaZos de 3-cm. o mas, del largo

total del barreno.

[n B +umero de sistemas de fisuras.

[r B Es el numero de rugosidad de las fracturas.

[a B +umero de alteracin de las fisuras.

[X B @actores de reduccin por agua en las fisuras.

81@ B @actor de reduccin por esfuer#os. 8in embargo, este $ndice puede

considerarse como funcin de tres parmetros que son medidas apro'imadas de%

1T+ B tamaZo de los bloques.

[r B la resistencia al esfuer#o constante inter bloques.

[X B los esfuer#os activos !estado tensional"

El rango de variacin de este $ndice, oscila entre -.--3 y 3.--- dando origen a H

categor$as de maci#os rocos como son%

n

a

'*(


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*T entre -.--3 D -.-3 % roca e'cepcionalmente mala.

*T entre -.-3 D -.3 % roca e'tremadamente mala.

*T entre -.3 D 3 % roca muy mala.

*T entre 3 D G % roca mala.

*T entre G D 3- % roca media.

*T entre 3- D G- % roca buena.

*T entre G- D 3-- % roca muy buena.

*T entre 3-- D G-- % roca e'tremadamente buena.

*T entre G-- D 3--- % roca e'cepcionalmente buena.

'UBUENA

BUENA REMULAR 'ALA'U


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'ALA

INDICE MEO'EC(NICO DE 'ACIO ROCOSO

R'R& BIENIASI

1.!. Clas0;0cac0>n /e B0en0asG0 %n/0ce R'R

1000

"00

100

"0

10

"

1

0.1

0.01

0.001

1000 90 !0 40 60 50 "0 $0 20 10


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El valor de *1M1 se obtiene por la suma de cinco parmetros los que tienen su

correspondiente valuacin !tabla +V K" y son%

3. resistencia de la roca inalterada.

. 1TA

. 8eparacin entre las discontinuidades.

G. Estado de las discontinuidades.

/. )resencia de agua.

E'iste un Jtoparmetro que es el a?uste en la valuacin que considera la disposicin de

?untas respecto ala e'cavacin.

Las categor$as de roca en funcin del valor del 1M1, estn designado como siguen%

1oca muy buena 1M1 entre I3 D 3--

1oca buena 1M1 entre J3 D I-

1oca media 1M1 entre G3 D J-

1oca mala 1M1 entre 3 D G-

1oca muy mala 1M1 menor que -

)ara evaluar el maci#o con esta clasificacin >ieniaXs0i, planteo correlacionar su $ndice

*1M1 con el de >arton !T", y despus de anali#ar ms de 3-- casos los correlaciono

mediante la siguiente e'presin%

&on r B -.HG

Esta correlacin, sin embargo tiene un margen de \3I para un limite de confian#a del

H- !ver fig. +V /". 9 continuacin se muestra un e?emplo para el empleo de esta

correlacin. Entre la progresiva - F K/ D - F KG se obtuvo en el mapeo los siguientes

valores% T B -.I,

1M1 B /K aplicando la formula de correlacin se tiene%

1M1 BH Ln T F GG B H Ln !-.I" F GG

RR = 9 L + 44


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1M1 !terico"BG

Este valor de 1M1 !terico" esta dentro del l$mite de confian#a del H-.

1.$. Clas0;0cac0>n a/o8a/a 8or el e@e28lo

8egn el e?emplo estas clasificaciones !T, 1M1" finalmente es adecuada para la obra,

agrupando las rocas en tres categor$as o tipos de rocas, siguiendo los criterios por Aeere.

Las caracter$sticas adoptadas para la valuacin de la calidad de las rocas son%

Roca 08o Irocas generalmente duras y moderadamente fracturadas. Las fracturas son

discontinuas e irregulares y con superficie cerradas e inalteradas. El 1TA mayor de

H- valores de 1M1 en cima de J- y T mayores de J. La roca con calidad T igual o

mayor a J, para un dimetro de J.G-m. se auto soporta y no requiere soporte

sistemtico, requiriendo ocasionalmente pernos puntuales para estabili#ar eventuales

cuZas.

Roca 08o II El maci#o rocoso esta sano ha ligeramente meteori#ado, es de resistencia

dura a media, afectando por discontinuidades con despla#amiento amplios o moderados

!-. D m" y con tra#as continas. )equeZas #onas de cortes y fallas pequeZas a

medianas. Las diaclasas tienen superficies inalteradas a ligeramente meteori#adas y:o

con signos de desli#amiento. Las fracturas !?untas" son frecuentes planas y continas.

Los valores del 1TA estn en el rango de / D H- , el 1M1 entre G3 D J- y T entre

-.G D J.

Roca 08o III El maci#o rocoso esta fracturado o ci#allado y moderado a

completamente meteori#ado, de resistencia media a ba?a. Las fracturas estn abiertas y

rellenas con material arcilloso. Las #onas de fallas tienen rellenos de% material arcilloso,

milonita, o roca muy fracturada o triturada.

Los valores de *T estn entre -.--3 D -.G y el 1M1 con valores inferiores a G-.

En el cuadro +V se muestra un resumen de las evaluaciones de los sistemas de

clasificacin empleados%

Cua/ro N !


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Clas0;0cac0>n /e Roca a/o8a/a 8ara

la o5ra

I II III

Qaluacin de la calidad

de maci#os rocosos D

sistema de

clasificacin

8istema *T J -.G 4 J -.--3 D -.G

8istema

1M1

J- G3 D J- -- 4 G-

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